Berkala Fisika Vol. 7, No. 3, Juli 2004, hal 103 - 110
ISSN : 1410 - 9662
Pemanfaatan Plasma Non Termik dalam Upaya Pengendalian Laju Polusi Udara Akibat Emisi Gas Kendaraan Bermotor Bermesin 2 tag Ari Sugiharto. SL1, Rasito2, M.Nur dan A. Suseno Pusat Studi Aplikasi Radiasi dan Rekayasa Bahan (PUSARRAN)Lemlit Undip
Abstract The research of removal COx, HC emission gas using non-thermal plasma with out add the additive gas has been carried out. In this research, plasma was produced in a reactor glow discharge corona with multi-points to plane configuration and wire to plane configuration. The gas emission from the machine were injected in reactor and was change to become phase plasma using DC voltage with power 0,1 watt. In phase plasma, the species of plasma such as; ions, energetic free radical and energetic electrons were created in reactor. Ions and energetic free radical were entranced in reaction and this condition can to remove emission gas COx , HC and it produced other compound. Verify residues using FTIR. So reduction efficiency between 70 –80 %. Keyword : Plasma Non- Thermik, Reduction, 0,1 watt Abstrak Telah dilakukan penelitian tentang pereduksian gas emisi COx dan HC dengan menggunakan plasma non-termik tanpa mengunakan gas aditif. Dalam penelitian ini dilakukan dengan membangkitkan plasma non-termik pada reaktor lucutan pijar korona dengan konfigurasi kawat bidang. Gas emisi dari kendaraan bermotor langsung dimasukkan kedalam reaktor yang telah aktif tanpa menambah dengan gas aditif. Gas emisi yang masuk kedalam rektor akan mengalami pereduksian akibat berinteraksi dengan plasma yang telah terbangkitkan pada reaktor. Sehingga akan terbentuk radikal-radikal bebas yang energetik dan elektron energetik. Ion-ion dan radikal-radikal bebas akan saling berinteraksi sehingga mampu mengubah emisi COx menjadi senyawa bentuk lain, dengan demikian kadar COx yang keluar menjadi berkurang. Hasil pereduksian menunjukkan tingkat Dekomposisi Efisiensi antara 70% dan 80%. Daya yang digunakan 0,1 watt, selain pengujian dengan gas analiser juga menggunakan FTIR, pengujian ini juga mendukung adanya proses pereduksian pada proses ini. Dengan demikian polusi udara akan tereatasi dengan metode ini. Kata Kunci : Plasma Non-Thermik, Reduksi,0,1 watt
demikian popolasi kendaraan yang telah beredar di masyarakat sangat tinggi. Dengan banyaknya populasi kendaraan bermotor tersebut berkembang pula masalah polusi udara yang ditimbulkan oleh kendaraan bermotor tersebut. Penelitian yang dilakukan oleh National Enviroment Survey menunjukkan bahwa masyarakat sangat terganggu oleh asap sebesar 30 %. Asap kendaraan ini dapat menimbulkan gangguan kesehatan bahkan dapat menimbulkan kematian manusia. Berdasarkan hasil survey UNEF Indonesia merupakan negara rangking
I.PENDAHULUAN Tranportasi dan industrialisasi merupakan bagian penting dari kehidupan masyarakat modern saat ini. Sulit dibayangkan bila manusia hidup tanpa adanya transportasi dan industri seperti saat ini, karena semua kebutuhan hajat hidup selalu akan terpenuhi oleh dua hal tersebut diatas. Pada bidang tranportasi perkembangan sangat pesat, hal ini terlihat dari jumlah kendaraan bermotor yang terjual dari tahun ke tahun menunjukkan peningkatan yang cukup pesat. Salah satu yang mendorong tingginya laju penjuan yaitu harga barang yang terjangkau oleh konsumen. Dengan
103
Ari Sugiharto. SL, Rasito, M.Nur dan A. Suseno
tiga dalam pencemaran udara. Faktor polusi udara antara lain volume lalulintas, komposisi lalu lintas, kecepatan, jenis kendaraan, usia kendaraan, jenis bahan bakar, tingkat kemacetan lalulintas. Data kementrian Lingkungan Hidup Indonesia (2003) dalam Kompas (2003) menunjukkan polusi yang disumbangkan oleh kendaraan bermotor mencapai 70 %. Bank Dunia (2003) menyebutkan bahwa akibat pencemaran telah menyebabkan 1200 kasus kematian prematur 32 juta kasus penyakit pernafasan dan 464 ribu kasus asma serta kerugian finansial diperkirakan 500 milyar rupiah. Dengan adanya kasus kasus itu maka pemerintah mengetatkan peraturan tentang lingkungan hidup. Di Indonesia sesuai dengan keputusan Kementrian Lingkungan Hidup No. 141 Tahun 2003 yang akan memberlakukan peraturan EURO 2 pada tahun 2005 yaitu menurunkan tingkat polusi sebesar 30%. Seperti yang telah dikemukakan diatas bahwa usaha untuk menyelesaikan permasalahan lingkungan telah menjadi prioritas di banyak negara. Produsen otomotif telah berupaya untuk dapat mereduksi emisi kendaraan bermotor salah satu cara yaitu dengan menciptakan katalitik konveter. Namun laju polusi masih belum dapat diredam karena unjuk kerja yang masih rendah. Tingkat pereduksian katalitik konveterpun belum mampu mencapai angka 80% seperti yang telah dilakukan dengan metode Plasma Non Termik. Pada produsen minyak dilakukan denagn penambahan zat aditif sehingga dihasilkan bensin yang ramah lingkungan namun kendala yang dihadapi yaitu pada permasalahan dana yang cukup besar. Untuk investasi pada produk tersebut dibituhkan dana sebesar $ 225,5 juta [10]. Hal ini tentunya menjadikan bahan pemikiran yang serius bagi pemerhati lingkungan ataupun para akademisi serta pemerintah daerah pada era otonomi sekarang ini.
faktor
Pemanfaatan Plasma…..
yang mempengaruhi Gas-gas seperti HC, CO dan CO2 adalah gas-gas yang sangat membahayakan kesehatan manusia. Seperti gas CO merupakan gas yang tidak berwarna dan tidak berbau namun memiliki afinitas yang lebih tinggi terhadap darah dibandingkan dengan gas O2 sehingga orang yang menghirupnya pada konsentrasi tertentu akan mengakibatkan keracunan dan kematian. Sedangkan untuk gas CO2 selain dapat menimbulkan efek rumah kaca secara kesehatan juga dapat menimbulkan sesak nafas bila terhirup oleh manusia. Sehingga jelas bahwa gas-gas ini merupakan gas yang sangat berbahaya bagi manusia. Para pakar telah merancang suatu metode maupun alat membersih udara, diantaranya dengan penyaringan debu pada tingkatan ukuran koloid sampai pada ukuran partikel gas-gas beracun. Salah satu metode yang diterapkan adalah dengan pemanfaatan plasma non-thermik. Pemanfatan plasma non-thermik ini telah mampu mereduksi gas polutan campuran pada skala laboratorium yang telah dilakukan oleh Chang (1993). Plasma merupakan materi fase keempat pada fisika. Pada plasma terdapat jumlah ion dan elektron yang mempunyai densitas yang relatif sama.[1] II. Dasar Teori 2.1 Gas COx dalam Udara Senyawa COx merupakan salah satu gas emisi yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar minyak bumi dan batu bara selain SOx dan NOx. Senyawa COx tersebut dapat berupa gas karbonmonoksida (CO) atau gas karbondioksida (CO2). Karbon dioksida (CO2) umumnya tidak dikatagorikan sebagai polutan udara karena merupakan komponen yang secara normal terdapat di udara, komposisi udara secara normal di alam dapat dilihat pada tabel di lampiran. Pengaruh terbesar yang dapat
104
Berkala Fisika Vol. 7, No. 3, Juli 2004, hal 103 -110
ISSN : 1410 - 9662
mengakibatkan kadar karbondioksida dalam udara meningkat dalam jumlah yang banyak adalah pembakaran bahan bakar minyak bumi, gas alam, dan batubara melalui reaksi [2]. Oksidasi tidak lengkap terhadap karbon atau komponen yang mengadung karbon jika jumlah oksigen yang tersedia kurang dari jumlah yang dibutuhkan untuk pembakaran sempurna agar dihasilkan karbon dioksida. Secara sederhana pembakaran karbon dalam minyak bakar terjadi melalui beberapa tahap sebagai berikut :
2C + O2
dengan konfigurasi geometri elektroda kawat-bidang [6]. Karakteristik umum lucutan korona adalah adanya medan listrik tak seragam (laplacian), dimana medan listrik laplacian ditentukan oleh konfigurasi geometri elektroda. Pada lucutan pijar korona, distribusi medan listrik membatasi terjadinya ionisasi pada daerah tertentu dalam tabung lucutan gas. Daerah ini disebut daerah ionisasi (ionizaton region). Letaknya di sekitar elektroda aktif. Dalam konfigurasi geometri elektroda kawatbidang, daerah ionisasi terletak di sekitar kawat. Sedangkan daerah lain di luar daerah ionisasi disebut daerah aliran muatan (drift region). Daerah ionisasi mempunyai intensitas medan listrik sangat kuat dan mampu menimbulkan ionisasi primer [8]
2CO
Reaksi antara karbon dioksida dan komponen yang mengandung karbon pada suhu tinggi dapat menghasilkan karbon monoksida (CO). Hampir 60% dari polutan yang dihasilkan terdiri dari karbon monoksida. Tetapi gas CO dalam udara merupakan senyawa yang kurang stabil dan biasanya akan bereaksi dengan oksigen membentuk karbondioksida (CO2) melalui reaksi:
2CO + O2
2.4. Reduksi Gas COx dan HC Pereduksian polutan dengan teknik plasma lucutan pijar korona untuk gas karbonmonoksida (CO) lebih mudah dibandingkan CO2, dalam sub bahasan ini akan diuraikan pereduksian CO2. Pereduksian CO2 diawali oleh proses pemisahan ikatan-ikatan molekul gas (molekul-molekul gas mengalami dissosiasi). Proses pemisahan ikatanikatan tersebut dapat mengakibatkan terjadinya ionisasi atau radikalisasi pada molekul-molekul gas, sehingga terbentuk ion-ion, elektron, dan radikalbebas yang energetik[7]. Pada radikalisasi mekanisme reaksi radikalbebas merupakan suatu deret reaksireaksi bertahap yang meliputi: tahap permulaan (inisiation), tahap perambatan (propagation), dan tahap pengakhiran(termination)[9]. Radikalbebas yang terbentuk dari proses radikalisasi akan mendissosiasi molekulmolekul gas yang berada dalam reaktor sehingga terjadi suatu reaksi berantai [1].
2CO2
Kedua proses pembentukan gas CO2 tersebut dapat menyebabkan kadar karbondioksida dalam udara semakin meningkat. Salah satu dampak negatif apabila kadar karbondiosida melebihi batas ambang kandungan CO2 dalam jumlah yang banyak adalah terjadinya efek pemanasan global yang lebih dikenal dengan sebutan efek rumah kaca [3]. 2.2. Lucutan Pijar Korona sebagai Pembangkit Plasma Lucutan korona merupakan suatu keadaan dalam lucutan mandiri [5]. Lucutan korona diawali dengan lucutan townsend dan diikuti oleh lucutan glow. Karakteristik lucutan gas yang terjadi di dalam tabung lucutan gas
105
Ari Sugiharto. SL, Rasito, M.Nur dan A. Suseno
III. METODE PENELITIAN 3.1. Skema Penelitian Pada penelitian in diawali dengan mempersiapkan alat dan bahan terlebih dahulu diantaranya adalah mempersiapkan rektor pereduksi, kabel penghubung, kendaraan bermotor catu daya tegangan tinggi, gas analiser serta kantung plastik. Kemudian dirangkai sedemikian hingga peralatan siap untuk digunakan, kemudian dicoba terlebih dahulu bahwa semua alat dapat berfungsi. Setelah alat berfungsi baru dimulai proses penelitian yaitu dengan
Pemanfaatan Plasma…..
catu daya dinyalakan dan dikondisikan pada kondisi pijar korona, kemudian dialirkan gas kedalam reaktor tersebut dan dianalisa hasil keluaran gasnya hal ini dilakukan dengan mengubah variasi kendaraan bermotor. Setelah berlangsung semua maka dilakukan uji FTIR dengan cara mengambil keraknnya. Setelah semua data terpenuhi kemudian dilakukan analisa dan pembahasan.
Tabel 4.1. Konsentrasi gas polutan sebelum dan sesudah perlakuan dengan plasma. Konsentrsasi gas polutan Konsentrsasi gas polutan Tanpa Perlakuan dengan setelah Perlakuan dengan Jenis plasma (%) plasma (%) Kendaraan CO CO2 CO CO2 Suzuki Carry 0,42 0,80 0,12 0,15 Yamaha V 80 2,79 1,80 0,30 0,25 Suzuki Cryatal
1,81
1,70
0,23
0,20
Tabel 4.2. Prosentasae pereduksian gas polutan kendaraan bermotor. Jenis Kendaraan Nilai pereduksian gas CO(%) Nilai pereduksian gas CO2 (%) Suzuki Carry 72.0 81.0 Yamaha V 80
80.0
83.6
Suzuki Cryatal
83.7
82.7
Tabel 4.3. Pereduksian HC Perlakuan H1=Hk H2=Hk setelah Effisiensi terhadap gas sebelum reduksi (ppm) pereduksian polutan dengan reduksi (ppm) korona Suzuki Carry 5533 2372 57.1 %
Tegangan (kV)
4.2
Yamaha V 80
5173
1983
61.6 %
4.2
Suzuki Cryatal
4969
1762
64.4 %
4.2
mengalirkan gas emisi melalui rektor tanpa menyalakan catu daya, kemudian hasailnya dianalisa dengan gas analiser hasil pengukuran merupakan hasil standar kandungan gas emisi. Setelah itu
Besarnya persentasi reduksi gas dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan sebagai berikut [4]:
106
Berkala Fisika Vol. 7, No. 2, April 2004, hal 103 -110
DE = 1 −
e + NO2 → NO + O*+ e
Ct × 100% Co
e + NO → N* + O2
O* + CO2
Sedangkan hipotesa reduksi gas COx tersebut di atas adalah sebagai
Dari data terlihat bahwa pereduksian untuk gas buangan dari kendaraan yang memiliki bensin campur lebih besar dari kendaraan yang hanya menggunakan bahan bakar bensin saja. Hal ini dikarenakan untuk bensin campur didapat komposisi senyawa kimia yang lebih banyak dibandingkan dengan bensin murni. Dengan demikian maka akan semakin banyak senyawa gas yang terbentuk setelah mengalami proses pembakaran, dengan demikian akan menambah terbentuknya elektron dalam plasma tersebut. Pada kendaraan yang berbahan bakar campur emisi gas buanganya berwana putih pekat atau berkabut, hal ini menunjukkan adanya
CO + O + e C* + 2O* + e
Disosiasi CO :
e + CO → O- + C
(R.3)
Disosiasi H2O : e + H2O → H* + OH*+ e
(R.8)
(NH4)2CO3 melalui reaksi : CO32- + NH4+ → (NH4)2CO3 (R.14)
*
(R.2)
CO32-
yang terbentuk, Senyawa CO32kemudian akan bereaksi lebih lanjut dengan H2O membentuk aerosol COn.H2O melalui reaksi : COn + H2O COn. H2O (R.9) Sedangkan pembentukan NH4+ dapat terjadi melalui hipotesa reaksi bertahap antara radikal N* dengan radikal H* dan ion H+ sebagai berikut : N* + H* → NH* (R.10) H* + NH* → NH* (R.11) H* + NH* → NH3 (R.12) H+ + NH3 → NH4+ (R.13) Senyawa NH4+ yang terbentuk kemudian bereaksi lebih lanjut dengan CO32- untuk membentuk senyawa
HASIL DAN PEMBAHASAN 1. Pereduksian Polutan Gas COx Dari tabel diatas dapat dilihat bahwa sistem pereduksian menggunakan plasma non termal telah berhasil untuk mereduksi gas polutan kendaran dengan kisaran reduksi sebesar 57 – 80 %. Ini menunjukkan bahwa sistem ini sangat efektif diterapkan pada kendaraan bermotor, mengingat prinsip kerja alat ini tanpa menngunakan bahan aditif. Sedangkan hipotesa reduksi gas COx tersebut di atas adalah sebagai berikut : Disosiasi CO2 :
e + CO → O- + C*
(R.6)
Radikal O* yang terbentuk dari disosiasi CO2 dan CO maupun H2O dapat berikatan dengan CO2 dan CO sehingga membentuk CO32- dan CO2 melalui reaksi : (R.7) O* + CO CO2
Gambar. 3.1. Skema laju gas dalam reaktor.
*
(R.5)
Disosiasi NO :
dengan CO adalah konsentrasi gas sebelum direduksi dan Ct adalah konsentrasi gas setelah direduksi. Seluruh proses penelitian yang dilakukan dapat digambarkan dengan diagram blok di bawah ini (gambar 3.1):
berikut : Disosiasi CO2 : e + CO2
ISSN : 1410 - 9662
(R.4)
Disosiasi NO2 :
107
Evi Setiawati, Adam Arif, Poppy Intan T.
Studi Distribusi…
2923,9 cm-1 dan 2854,5 cm-1. Pita dari tekukan (bending) C-H pada 1377,2 cm-1. Adanya gugus C-O ditunjukkan oleh serapan pita 1155.3 cm –1 dan untuk C=O ulur ditunjukkan oleh serapan 1706,9 cm –1. Adanya gugus CO32- ditunjukkan oleh serapan pita 1460 cm-1. Berdasarkan hasil analisa dapat disimpulkan bahwa salah satu senyawa yang terdapat dalam kerak memiliki ikatan C-H, C-O, C=O dan CO32-.
partikel koloid yang terkandung didalam asap tersebut. Namun setelah diberlakukannya korona pada emisi gas, maka kabut asap tersebut secara visual 100% tereduksi atau hilang. Hilangnya kabut asap tersebut dikarenakan partikel koloid yang terkandung didalam kabut asap tersebut setelah masuk ke dalam reaktor, kemudian akan termuati oleh adanya elektron yang terdapat di dalam plasma, sehingga partikel tersebut akan menjadi partikel bermuatan, dan oleh
Gambar 4. Keadaan polutan sebelum dan sesudah direduksi gaya elektrostatik maka partikel bermuatan tersebut akan tertarik oleh masing-masing elektroda. Dengan demikian maka partikel tersebut akan terendapkan pada elektroda kawat tersebut. Terendapnya partikel ini dapat ditunjukkan oleh adanya kerak berwarna hitam pada elektroda-elektroda tersebut tersebut. Foto yang menunjukan hilangnya kabut asap kabut asap tersebut dapat dilihat pada gambar 4.
Hasil penelitian ini akan sangat mungkin untuk diterapkan pada seluruh kendaraan di daerah jateng mengingat sangat sederhananya alat ini. Untuk dapat diterepkannya sistem ini perlu adanya kebijakan pemda daerah setempat karena ini merupakan asat daerah terutama pada era otonomi saat ini.
4.2. Analisa FTIR pada Kerak Hasil Pereduksian Gas Polutan Gambar 5 menunjukkan spektra FTIR kerak yang tertinggal pada reaktor sebagai salah satu hasil dari proses reduksi polutan kendaraan bermotor. Adanya gugus C-H ditunjukkan oleh serapan uluran (streching) tajam pada
108
Berkala Fisika Vol. 7, No. 2, April 2004, hal 103 -110
ISSN : 1410 - 9662
Gambar 5. Grafik FTIR Tabel. Korelasi Pita-Pita Spektra FTIR (Atkins,1997) Jenis Vibrasi Bilangan Gelombang Jenis Vibrasi (cm-1) C-H Ulur 2850-2960 C-O C-H Tekuk 1340-1465 C=N C=C Ulur 1620-1680 O-H N-H Ulur 3200-3500 CO32N-H Tekuk 1640-1550 NO3C=O Ulur 1640-1780 SO42-
5.1. Kesimpulan Dari penelitian yang telah dilakukan guna mereduksi gas polutan COx menggunakan plasma lucutan pijar korona dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : 1. Prototipe sistem pereduksian gas mampu mereduksi gas polutan COx dan HC pada emisi kendaraan bermotor, tanpa menggunakan penambahan gas aditif, dengan hasil efisiensi dekomposisi sebesar 70%-80%. hal ini menunjukkan bahwa sistem memungkinkan untuk diterapkan pada kendaraan bermotor. 2. Pengujian kerak dengan menggunakan FTIR telah mendukung adanya gugus fungsi yang mendukung hasil pereduksian gas tersebut.
Bilangan Gelombang (cm-1) 1300-1000 2260-2240 3650-3600 1410-1460 1230-1250 1080-1130
5.2. Saran Untuk kesempurnaan hasil penelitian ini maka untuk penelitian yang lebih lanjut disarankan : 1. Menjadi bahan pertimbangan bagi Pemerintah agar dapat diterapkan pada kendaraankendaraan. 2. Perlunnya sosialisasi dan kerjasama dengan instansi terkait lebih jauh tentang hasil penelitian ini.
DAFTAR PUSTAKA 1. Chang, J.S., 1993, Energetic Electron Induced Plasma Processes for reduction of Acid and Greenhouse in Combustion Flue Gas, edited by Penetrate, B. M. and Schultheis, S. E.,
109
Evi Setiawati, Adam Arif, Poppy Intan T.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Studi Distribusi…
NATO ASI Series, springerVerlag Fessenden, J. R., and Fessenden, S. J., 1986, Organic Chemistry, Third Edition, wadswortth, Inc., Belmont, california 94002. Massachuset, USA Francis, F. C., 1974, Introduction to Plasma Physics, Plenum Press, New York Nur, M, dkk, 2003, Pereduksian Gas Emisi COX dengan Menggunakan Plasma Non-Termik, Laporan Hibah Bersaing 3, Universitas Diponegoro Semarang. Nur, M., 1998, Fisika Plasma dan Aplikasinya, Stadium General Fisika Universitas Diponegoro, Semarang. Nur, M., 1999, Pengendalian gas-gas Emisi (NOx dan SOx) dari Pembakaran Batubara: Menggunakan Teknik Plasma Lucutan Pijar Korona, proposal RUT VII Hidayat, D. A., 2000, Pembuatan Prototipe Sistem Reduksi COx Dengan Plasma Lucutan Pijar Korona Konfigurasi Geometri Elektroda
8.
9.
10.
11.
110
Kawat Bidang, Skripsi, Universitas Diponegoro, Semarang. Murbiyanto, R., 2001, Uji Coba Prototipe Pereduksian Polutan Udara Yang Memanfaatkan Plasma Lucutan Pijar Korona Berkonfigurasi Geometri Elektroda KawatBidang Pada Gas karbon Dioksida (CO2) Dari Gas Buang Kendaraan Bermotor, Skripsi, Universitas Diponegoro, Semarang Krane, K., 1992, Fisika Moderen, penerjemah hans J. Wosparkrik dan Sofia Niksolihin, UI-Press. Ruktiningsih,2003, Usulan Pengendalian laju polusi kendaraan bermotor kota Semarang ,prosiding seminar hasil-hasil penelitian, BalitbangDa Jateng. Sugiharto,A., 2004, Pereduksian Polutan COx Memanfaatkan Plasma Lucutan Pijar Korona Negatif Berkonfigurasi Geometri Elektroda Kawat- Bidang tanpa zat aditif, Skripsi, Universitas Diponegoro, Semarang
